`Met magnetische koeling behaal je de meest e ciënte prestaties`

interview
Professor Ekkes Brück, faculteit Technische Natuurwetenschappen TU Delft
‘Met magnetische koeling
behaal je de meest
efficiënte prestaties’
Oké, het Thialf Stadion is nog wat te hoog gegrepen voor magnetocalorisch koelen. Echter, voor kleine en middelgrote toepassingen biedt deze techniek zeker
mogelijkheden, verwacht Ekkes Brück, hoogleraar aan de Technische Universiteit
Delft. Het eerste concrete voorbeeld van zijn stelling prijkt in de toegangsruimte
van het Reactor Instituut Delft: een wijnkoeler ontwikkeld door het Amerikaanse
Astronautics en het Chinees/Amerikaanse Haier. Stil en energie-efficiënt.
Tekst: Jojanneke Rodenburg, freelance journaliste.
Fotografie: Eric de Vries
Dat je met magneten kunt koelen is geen geheim, erkent professor Ekkes Brück, hoogleraar aan de TU Delft.
Al in 1933 werd er onderzoek naar gedaan en lukte om
tot beneden 1 K te koelen. Er kwam zelfs een Nobelprijs uit voort (W.F. Giauque, 1949). Anno 2017 staat het
systeem weer volop in de belangstelling.
‘Door de uitfasering van populaire CFK- en HCFKkoudemiddelen is iedereen op zoek naar innovaties
in de koeltechniek. En inderdaad, een systeem dat
magnetisme gebruikt is een duurzaam alternatief voor de huidige compressors die werken met
– soms schadelijke – dampvormige middelen.’
‘Daarnaast is magnetocalorisch koelen een efficient proces. Zeker bij kleine toepassingen haalt het
systeem een hoger rendement dan de standaard
compressor. En het maakt niet uit of je het in grote
of kleine toepassingen inzet, het schalen gaat veel
gemakkelijker dan bij een compressor. Een microkoeler werkt dus net zo efficiënt als een grote machine. Een magneet heeft trouwens ook geen last
van wrijving, je verliest geen energie en materialen
gaan veel langer mee.’
Continu proces
Het principe is relatief onbekend en met de wijnkoeler worden de mogelijkheden eigenlijk voor het
eerst concreet zichtbaar. Brück legt uit: ‘Onderin
deze koeler zit een prototype warmtepomp. Hierin zit
een poreus lichaam van magnetisch materiaal. Dat
10
wordt via een magneet gemagnetiseerd, waarbij het
opwarmt. Vervolgens stroomt er water doorheen, naar
de ‘warme kant’. Dan wordt het materiaal gedemagnetiseerd en wordt er een ventiel omgeschakeld zodat
water naar de koude kant stroomt. Het continu heen
en weer laten stromen van water door het materiaal levert een temperatuurgradiënt; aan de ene kant
warm; aan de andere kant koud. De koude kant wordt
daarbij voldoende koud om het voor koeltoepassingen te gebruiken. Een traditionele koelkast slaat steeds
af als hij zijn temperatuur heeft bereikt; dat is in feite
inefficiënt. Magnetocalorisch koelen is een continu
proces, waarbij je het koelvermogen aanstuurt door
de frequentie waarmee de magneet om het materiaal
draait.’
Met permanente magneten worden koelers gebouwd met een vermogen tussen een paar milliwatt
en een paar kilowatt; dat is dus de range tussen
kleine camping- of bootkoelkasten enerzijds, en
de bekende standaard split-units anderzijds. Voor
units met een groter vermogen moet de overstap
worden gemaakt naar supergeleidende magneten.
Deze hebben een veld van bijvoorbeeld 10 T.
Onderzoek naar legeringen
Grootste uitdaging van magnetisch koelen is niet
zozeer de magneet, maar voornamelijk de materialen die moeten geleiden. Een kolfje naar de hand
van de hoogleraar die op de TU Delft de leerstoel
VV+ april 2017
VV03 10-13.indd 10
06-04-17 10:16
De grootste uitdaging is niet zozeer de magneet,
maar voornamelijk de materialen die moeten geleiden
VV+ april 2017
VV03 10-13.indd 11
11
06-04-17 10:16
interview
‘Fundamental aspects of materials and energy’
bekleed.
‘Je hebt een permanente magneet nodig die een
magneetveld van 1 T kan opwekken. In windmolens
worden die per ‘tonnen’ gebruikt, voor een koelkast
heb ik een paar kilo nodig. Die zijn dus wel voor
handen. Voor het magnetocalorisch materiaal geldt
dat niet. Tot 20 jaar geleden werden voornamelijk
lantanides ingezet; lastig te delven en dus dure elementen. Dat zorgde ervoor dat magnetisch koelen
nooit echt van de grond kwam. Zonde! Daarom ben
ik al ruim 15 jaar op zoek naar nieuwe magnetocalorische materialen; legeringen die het makkelijker
maken om magnetisch te koelen.’
‘Het materiaal dat we nu gebruiken bevat mangaan,
ijzer, fosfor, silicium en een klein beetje boor. We
doen deze stoffen in een bepaalde verhouding in
een kogelmolen en na ongeveer twee uur zijn de
materialen gelegeerd in poedervorm. Dat poeder
(MnFePSi) persen we samen tot een blokje. Dat
bakken we even in de oven, en dan is het klaar voor
gebruik. Het materiaal is gepatenteerd door ons. BASF
heeft de exclusieve gebruikslicentie.’
Met deze innovatie won Brück in 2016 de FOM Valorisation Prize. Deze prijs wordt jaarlijks uitgereikt
aan een Nederlandse onderzoeker (of onderzoeksteam) die onderzoek verricht waarvan de uitkomsten van directe waarde zijn gebleken voor de
maatschappij.
Verder onderzoek
Bij de FOM Valorisation Prize hoort een geldbedrag
van een kwart miljoen euro. Brück geeft aan deze
som te besteden aan verder onderzoek; hij wil een
nieuwe promovendus aannemen. Deze zal worden
toegevoegd aan het huidige team dat bestaat uit
vier promovendi op de TU Delft, een technicus en
een post-doc onderzoeker. Daarnaast werkt op de
Radboud Universiteit in Nijmegen nog een theoretisch promovendus mee en zijn bij BASF ongeveer
tien mensen bij dit project betrokken.
‘Ja, mondjesmaat wordt dit innovatieprincipe van
koelen door het bedrijfsleven opgepikt. Ik weet van
een aantal startups, onder meer van het Franse
Cooltech. Zij presenteerde tijdens de IIR-conferentie
in Turijn een werkende magnetocalorische warmtepomp die aan de koude kant een temperatuur van
-5 °C realiseerde. In hun presentatie legden ze uit
dat de pomp op 1,2 Hz draait, met een COP van 5. Het
elektrisch vermogen van pomp, motor en regelunit bedraagt 64 W. Extra interessant is het feit dat
Cooltech nauw samenwerkt met supermarktgigant
Carrefour. Samen ontwikkelen ze een complete lijn
koelinstallaties voor in de winkels.’
Het Engelse Camfridge daarentegen werkt weer
12
meer aan standaardkoelkasten. Interessante innovatie hier was de combinatie van een magnetocalorische warmtepomp en plastic warmtewisselaars.
Die hebben een zeer dunne wand, wat mogelijk is
omdat het warmtetransport, water met glycol, niet
onder druk staat. Het temperatuurverschil tussen
medium en buitenlucht bedraagt maar 1 °C. Aan de
binnenzijde van de koelkast wordt een veel groter
oppervlak voor warmtewisseling gebruikt, zodat
ook hier een klein temperatuurverschil kan worden
gerealiseerd, wat de systeemefficiëntie ten goede
komt.’
Koelen zonder koudemiddelen
Als het om duurzaamheid gaat, dan hebben magnetische koelkasten de toekomst. Ze gebruiken
geen schadelijke gassen en gebruiken ook minder
energie. Toch hoeft de consument voorlopig nog
geen magnetische koelkasten in de witgoedwinkel
te verwachten. Daarvoor is het nog te vroeg, meent
Brück. De investeringskosten van een dergelijk
apparaat zijn immers veel hoger dan die voor een
gangbaar systeem. Achter de schermen wordt wel
hard gewerkt aan het opschalen van productiecapaciteit. Onder meer van het benodigde magnetocalorisch materiaal.
‘Het grootste voordeel?
Magneten zijn stil’
‘BASF kan inmiddels een order van een paar 100 kg
maken, maar voor marktproductie van apparaten
is dat lang niet genoeg. Magneten daarentegen zijn
er wel genoeg, maar erg gewild. Zij kunnen onmogelijk concurreren met de spotgoedkope compressoren. Geen gunstig marktmodel, dus. Vooralsnog’,
benadrukt Brück met klem.
In deze context wijst hij graag naar pv-cellen die
in nog geen twintig jaar een enorme ontwikkeling
hebben doorgemaakt en nu redelijk eenvoudig en
goedkoop verkrijgbaar zijn. Het milieuvriendelijke
karakter van magnetisch koelen zou weleens tot
eenzelfde toekomst kunnen leiden. Geen schadelijke gassen, lager energieverbruik en recyclebaar.
De life-cycle-analyse (LCA) toont namelijk aan dat
magneten gemaakt van hergebruikt NdFeB, eenzelfde prestatie leveren als magneten van nieuwe
materialen.
Stille warmtepomp
Wanneer hij kijkt naar de installatietechniek ziet de
hoogleraar zeker kansen. Magnetische systemen
zouden de conventionele compressors in warm-
VV+ april 2017
VV03 10-13.indd 12
06-04-17 10:16
tepompen kunnen vervangen. ‘Magneten in de
warmtepomp van de vloerverwarming of het kraanwater. Ja hoor, dat kan makkelijk.’ Volgens hem zou
een magnetisch aangedreven warmtepomp ook
goed passen bij een wko-installatie.
‘Wko’s werken met laagenergetische warmte
– ’s zomers koelen en ’s winters verwarmen – dit
kunnen ze prima aan. Magneten werken het best bij
een lage temperatuurlift. Wanneer maar een klein
temperatuurverschil moet worden overwonnen,
zijn ze het efficiëntst. Combineer dat met slimme
warmtewisselaars en een compacte behuizing en je
hebt een goed bruikbaar product.’
‘Grootste voordeel? Magneten zijn stil. Gascompressoren veroorzaken soms geluidsoverlast wanneer
geplaatst in een woning. Magnetische systemen
niet. Compressoren staan onder hoge druk. Magnetocalorisch koelen werkt met atmosferische druk en
water. Dat levert alleen maar winst op voor aansluitingen en leidingwerk.’
laties helpt het mee het doel van energieneutraal
wonen en werken te verwezenlijken.
Brücks onderzoek naar magnetocalorische materialen en de milieubewuste magneetkoelkasten waarin
deze worden gebruikt, is een stap in de goede richting. Zijn inspanningen gaan dan ook gewoon door.
‘Vooral op het gebied van slim design, implementatie van de techniek in installaties en de vorm en
samenstelling van de legeringbolletjes is nog veel
winst te behalen. Wat betreft dat laatste zag ik op de
conferentie in Turijn een producent die een legering
gebruikt om dunne plaatjes van LaFeMnSiH te maken. Het gebruik van plaatjes in plaats van bolletjes
levert per saldo een betere warmtegeleiding op, die
snelle warmteafvoer mogelijk maakt. En misschien
kunnen we ook profiteren van multicaloric-effecten
van sommige materialen, een combinatie van magnetocaloric- en elastocaloric- effecten. Bij elasticiteit komt immers ook energieoverdracht kijken.’
PCM
Om de mogelijkheden voor duurzame warmte- en
koude installaties verder uit te werken, neemt Brück
samen met bedrijfsleven en overheid plaats in de TKI
Urban Energy.
Door samenwerking streven partijen naar verhoging
van de energie- en kostenefficiëntie, comfort en
gezondheid, installatiegemak en compactheid. En
natuurlijk draait het daarbij niet alleen om magnetisch koelen. ‘Als we met magnetische velden
kunnen koelen en verwarmen, dan waarschijnlijk
ook met elektrische velden. In dat opzicht vind ik
PCM interessant. Het principe is hetzelfde, tijdens
een faseovergang komt er thermische energie vrij
of wordt het juist opgenomen. Mooi toch als we
materialen kunnen ontwikkelen die efficiënt koelen
zonder zichzelf op te gebruiken of stuk gaan? Ook
absorptiekoeling is een reële optie. Dit koelproces
werkt op basis van warmte, bijvoorbeeld een gas-,
spiritus- of petroleumbrandertje, maar het kan
ook via een elektrische weerstand. Deze systemen
bestaan al in het klein en worden vaak teruggevonden daar waar er geen elektriciteit beschikbaar is,
bijvoorbeeld in caravans.’
Slim design
Om innovatieve koel-inzichten verder te brengen,
zal de wetenschap vaker de dialoog met de industrie aan moeten gaan. Wereldwijd. Want door zaken
te bespreken worden wensen kenbaar en toepassingen beter afgestemd op de praktijk. Een en ander
zal het proces versnellen en met het oog op het
verbod van de huidige koudemiddelen is dat geen
overbodige luxe. En geïntegreerd in complete instal-
Kostenverlaging
De ontwikkelingen bij machines richten zich vooral
op verbeterde magneetontwerpen, vermindering
van verliezen en de verhoging van de werkfrequentie door warmteschakelaars. De magneetontwerpen
zijn belangrijk om compacte warmtepompen te
kunnen realiseren. Ze maken een groot deel uit van
de kosten van de magnetocalorische warmtepomp.
‘Mijn team en ik onderzoeken momenteel manieren
om ervoor te zorgen dat we geen magneetveld van 1
T nodig hebben, maar voldoende hebben aan 0,5 T.
Dat zou een groot verschil maken in de hoeveelheid
en kwaliteit van de permanente magneten die we
gebruiken, en dus de prijs. Want uiteindelijk bepaalt
dat toch of grote jongens als Siemens zo’n techniek
oppikken en integreren in hun apparaten en installaties.’
<<
VV+ april 2017
VV03 10-13.indd 13
13
06-04-17 10:16